基于晶體塑性理論的板材塑性及損傷行為研究.pdf

1、板料塑性成形是重要的金屬成形工藝之一。多晶體金屬板材的宏觀力學(xué)性質(zhì)依賴于其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)特性，板材的強(qiáng)度和成形性能同自身的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，特別是塑性流動(dòng)過程中組成晶體材料的晶粒方位的取向分布及位錯(cuò)滑移的特點(diǎn)。為了更好地描述材料微結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響，組織性能演化已成為目前數(shù)值模擬的前沿和熱點(diǎn)。
　　 晶體塑性理論將材料的微結(jié)構(gòu)特征引入到描述板材成形過程數(shù)值模擬的本構(gòu)框架內(nèi)，由晶粒的細(xì)觀響應(yīng)得出板材的宏觀塑性力學(xué)性能。正是由于在

2、描述材料微觀結(jié)構(gòu)特征上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，晶體塑性理論的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。本文以晶體塑性理論為基礎(chǔ)，采用計(jì)算模型、理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，從細(xì)觀角度研究了晶體取向、晶粒尺度上的不均勻塑性變形及微觀織構(gòu)演化等對(duì)金屬板材塑性變形及損傷行為的影響。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　 為了分析微成形中廣泛出現(xiàn)的表面層晶粒軟化效應(yīng)，建立了面心立方(FCC)多晶體的3D有限元模型，各個(gè)晶粒分別賦予不同的取向，采用單元之間的邊界模擬晶界的約束；

3、模擬了不同晶粒相對(duì)尺寸的FCC多晶體材料單向拉伸過程的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；結(jié)果表明：采用多晶體塑性模型能很好地描述晶粒取向分布和晶界約束的影響，從而解釋表面層晶粒軟化這種尺度效應(yīng)產(chǎn)生的細(xì)觀機(jī)理和特點(diǎn)。
　　 分析了鋁單晶壓縮實(shí)驗(yàn)中孔洞的變形規(guī)律，通過與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，確定了晶體塑性模型模擬結(jié)果的有效性。建立了3D單晶胞元和雙晶胞元模型，對(duì)不同取向的FCC晶體中的球形孔洞的演化進(jìn)行研究，結(jié)果表明：晶體取向、晶界方向及

4、加載方向是影響孔洞形狀、孔洞生長(zhǎng)方向、孔洞加速聚合以及裂紋形成的重要因素；采用晶體塑性模型能從細(xì)觀角度很好地描述金屬塑性加工過程中材料的細(xì)觀損傷演化規(guī)律，建立起晶粒層次的孔洞細(xì)觀損傷和各向異性材料宏觀斷裂之間的聯(lián)系：即晶體取向不同使得孔洞周圍相鄰區(qū)域開動(dòng)的滑移系不同，引起晶粒尺度上的不均勻塑性變形，這種不均勻變形導(dǎo)致裂紋形成。該模型可應(yīng)用于晶粒數(shù)量較少的微細(xì)塑性成形過程的損傷破裂分析。
　　 將晶體塑性本構(gòu)與M-K模型結(jié)合，引入

5、多晶體織構(gòu)，首先研究了FCC多晶體板料在線性應(yīng)變路徑下的成形極限，揭示了初始缺陷、率敏感系數(shù)、硬化參數(shù)、初始織構(gòu)及塑性變形導(dǎo)致的織構(gòu)演化對(duì)多晶體材料FLD的影響規(guī)律；通過與宏觀塑性模型相比，結(jié)果表明，由于晶體塑性理論考慮了材料初始織構(gòu)及變形誘導(dǎo)的織構(gòu)演化對(duì)極限應(yīng)變的影響，能更好地預(yù)測(cè)各向異性金屬板料的成形極限。然后，研究了BCC多晶體的成形極限，分析表明潛在硬化使成形極限曲線降低，在雙軸拉伸變形中尤為明顯。
　　 用晶體塑性理論

6、分別進(jìn)行了無預(yù)應(yīng)變路徑以及三種預(yù)應(yīng)變路徑（單向拉伸預(yù)應(yīng)變、雙向拉伸預(yù)應(yīng)變、平面預(yù)應(yīng)變）下的板料成形極限的數(shù)值分析，從細(xì)觀的角度分析了金屬板料的織構(gòu)在塑性變形中的演化對(duì)極限應(yīng)變的影響。設(shè)計(jì)了單向拉伸預(yù)應(yīng)變路徑下金屬板料的成形實(shí)驗(yàn)，對(duì)非線性應(yīng)變路徑下的分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，預(yù)變形中產(chǎn)生的織構(gòu)演化和各滑移系的不同硬化能使板材的成形極限發(fā)生改變，采用晶體塑性理論能夠較好地預(yù)測(cè)和解釋這種晶體微觀結(jié)構(gòu)對(duì)成形極限的影響，對(duì)塑性加工中復(fù)雜應(yīng)變路